动力工程学报

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基础研究

氢气微混燃烧器燃空掺混特性数值研究

彭祝, 张哲巅, 雷福林

2023, 43(11): 1391-1398. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.001

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实现氢气和空气在氢燃气轮机燃烧室喷嘴管外均匀掺混可以在避免回火的同时实现低NO_x燃烧。为了在喷嘴出口到燃烧之前尽量实现均匀的掺混,通过数值模拟方法计算分析了微混喷嘴出口的流动特性以及燃空来流相互作用对氢气和空气混合的影响,研究了燃空动量比、燃料微孔间隙比、射流高度及混合长度对微混喷嘴冷态燃空掺混的影响。结果表明:掺混效果直接受标准射流深度、邻射流扰动及扩散段旋涡结构的影响。燃空动量比R_m为1.19~1.77时,所达到的标准射流深度可以实现较均匀掺混;间隙比为0.54时,邻射流相互作用会增大射流中心的氢气浓度下降梯度;增加射流高度和混合长度均能降低混合不均匀度;近壁旋涡对的完整发展有利于改善掺混。

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基础研究

基于COMSOL的全陶瓷微封装燃料元件建模与传热分析

王某浩, 步珊珊, 卢绪祥, 刘瑞

2023, 43(11): 1399-1405. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.002

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采用COMSOL软件构建了全三维全陶瓷微封装(FCM)燃料元件模型,提出了一种FCM燃料元件内TRISO颗粒随机分布的高效建模方法,可以实现较高填充率的颗粒弥散填充。分析了不同颗粒填充率(35%、40%和45%)下以及不同颗粒随机分布下FCM燃料元件的温度分布特性。结果表明:FCM燃料元件中心区域温度高,沿径向温度降低;TRISO燃料颗粒特别是燃料核芯的温度明显高于周围基体的温度,温差可达130 K甚至更高,其中最大的温度梯度出现在Buffer层;在相同线功率下,随着颗粒填充率的增加,燃料芯块的最高温度降低,平均温度略有升高;受到颗粒分布随机性的影响,当颗粒填充率减小时,平均温度和最高温度分布的离散程度均增加,但总体上颗粒随机分布对燃料芯块平均温度的影响较小。

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动力设备与系统

燃煤机组灵活性改造后燃烧优化试验研究

吕为智, 赵旭, 何翔, 马达夫

2023, 43(11): 1406-1412. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.003

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火电机组灵活性改造后,锅炉低负荷稳燃能力提升,然而高负荷下由于主燃烧器区域烟气温度升高,容易引发结焦、NO_x生成量偏高等问题。以600 MW前后墙对冲锅炉为研究对象,针对灵活性改造后锅炉易结焦的原因展开分析并进行了燃烧优化试验。结果表明:结焦主要是由主燃烧器区域烟气温度升高以及还原性气氛引起的,通过弱化燃烧器旋流、提升燃烧器直流风占比、降低磨煤机出口温度、合理配风、提升一次风压和控制主燃烧器区域氧量等技术手段,可在保障低负荷稳燃能力的同时,抑制主燃烧器区域结焦。

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动力设备与系统

填料非均匀布置耦合分区配水对湿式冷却塔热力性能的影响

步兆彬, 孙更生, 江广旭, 吕赛, 杨继冲, 何锁盈, 高明

2023, 43(11): 1413-1420. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.004

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以某300 MW火力发电机组的大型湿式冷却塔为研究对象,建立填料非均匀布置耦合分区配水的三维数值模型。填料内外区分别布置30 mm和26 mm S波填料,改变配水分区半径R₁,重新分配配水内外区配水占比,研究不同工况下填料非均匀布置耦合分区配水对冷却塔热力性能的影响。结果表明:填料非均匀布置耦合分区配水可显著降低塔心区的高温,提高气水比。设计工况下,随着填料分区半径R₂和内区配水占比P的增大,冷却数和体积传热系数均先增大后减小。当R₁=15~35 m时降低P,而当R₁=40 m时增大P,均可提高湿式冷却塔整体热力性能。此时相对最佳的耦合布置方案为R₁=25 m、R₂=25 m和P=35%,与原始塔相比,冷却数和体积传热系数分别增大0.09和17.0 W/(m³·K)。

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动力设备与系统

超临界汽轮机20Cr1Mo1VNbTiB螺栓开裂行为分析

张涛, 王建光, 谢利明, 陈浩, 乔欣

2023, 43(11): 1421-1427. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.005

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针对某660 MW超临界汽轮机运行过程中高、中压调速汽阀的20Cr1Mo1VNbTiB高温紧固螺栓发生大规模早期开裂失效问题,利用断口分析、成分分析、力学性能分析及微观组织结构分析等试验方法对螺栓大规模开裂行为进行了研究。结果表明:在预紧力和汽阀动作形成的冲击载荷共同作用下,具有缺口效应且应力集中的螺纹牙底部TiN颗粒以自身碎裂、尖角处开裂及附近基体高应力畸变区开裂等模式萌生微裂纹并互相串连形成裂纹源,在载荷作用下快速扩展引发螺栓开裂;组织中大量TiN颗粒破坏了基体的连续性,降低了合金的韧性和抗裂能力,导致脆性开裂。因此,合金冶炼过程中应严格控制钢液中Ti质量小于0.1%,通过优化控制冷却速度,提高钢中细小氧化物的生成量来控制TiN析出相的尺寸和生成量,降低其有害作用,起到Ti合金化的真正目的。

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动力设备与系统

基于多变指数的汽轮机低压缸排汽焓在线计算方法

王凯润, 马素霞, 霍茂

2023, 43(11): 1428-1433. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.006

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基于汽轮机变工况原理,提出了一种在线计算汽轮机排汽焓的新方法——多变指数法。通过考虑低压缸进汽流量、进汽温度、进汽压力和排汽压力对做功能力的影响,建立了低压缸做功多变指数模型,并采用多变指数法得出针对单个机组热力特性的精确模型以及适用于不同机组的改进通用模型。结果表明:由精确模型得到的排汽焓计算值与设计值的平均相对误差为0.165%,最大相对误差为0.738%;由改进通用模型得到的排汽焓计算值与设计值的平均相对误差为0.93%,最大相对误差为3.52%,可满足工程计算精度要求。

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动力设备与系统

基于蒙特卡洛法的透平轮盘寿命计算及可靠性分析

李孝品, 杨宇, 田根起, 李思琦, 王家鋆

2023, 43(11): 1434-1439. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.007

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为了对燃气轮机透平轮盘的概率疲劳寿命和可靠性分析展开充分研究,针对透平轮盘材料13Cr10MoW1VNbN开展了低周疲劳试验并进行结果分析及误差优化,基于Manson-Coffin公式及材料试验数据,建立了应变-寿命预测模型。分别采用蒙特卡洛法与包络线法,获得轮盘疲劳寿命数据样本,开展了统计分析及可靠性研究。结果表明:基于蒙特卡洛法得到的可靠度曲线比基于包络线法得到的可靠度曲线下降趋势更平缓,考虑的不确定因素更多,安全裕度更大。

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动力设备与系统

预测扇形孔气膜冷却效率的一种新关联式及应用

林翅翔, 崔晓峰, 戴韧

2023, 43(11): 1440-1447. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.008

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基于扇形孔的实验数据,提出了一种预测气膜冷却效率的新关联式。综合考虑孔形参数和孔内外流动条件对气膜冷却效率的影响,构建关联式特征系数的代理模型。结果表明:通过实验设计(DOE)获得的优化孔与采用特征系数代理模型获得的优化孔的气膜冷却效率和最优孔形参数基本一致;应用新关联式加速气膜孔形的多置信度优化或优化多气膜孔阵列的具体布局具有显著的工程应用价值。

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动力设备与系统

考虑倾覆力矩影响的回转式空气预热器主轴强度分析

高建强, 张子悦, 刘松洋, 李红玉

2023, 43(11): 1448-1453. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.009

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以某660 MW机组回转式空气预热器为研究对象,采用弯扭合成当量弯矩方法对回转式空气预热器主轴截面进行应力计算和强度校核。结果表明:相较于其他工况,在BMCR工况下回转式空气预热器主轴所受的倾覆力矩达到最大,产生的弯曲应力在合成应力中占比52%,是影响主轴弯曲变形的重要因素;相较于不考虑倾覆力矩影响的情况,考虑倾覆力矩后主轴强度的安全裕度降低了40%。

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动力设备与系统

基于混沌理论和CNN-OSVM的水轮机空化状态识别方法

刘忠, 李显伟, 邹淑云, 王文豪, 周泽华

2023, 43(11): 1454-1460. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.010

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针对水轮机空化声发射(AE)信号非线性强,导致水轮机空化状态识别准确度不高的问题,建立基于混沌理论和卷积神经网络结合优化支持向量机(CNN-OSVM)的水轮机空化状态识别方法。对不同空化状态下的水轮机空化AE信号进行相空间重构,获得相图作为数据集,通过卷积神经网络提取不同空化状态下的相图特征,输入经网格搜索算法结合K折交叉验证算法全局参数寻优的优化支持向量机分类器完成空化状态识别。结果表明:输入混沌相图数据集的CNN-OSVM模型能够准确识别4种空化状态,平均准确率高达98.8%;同时证实相较于CNN模型、OSVM模型,CNN-OSVM模型对非线性信号分类具有更高的识别准确率和泛化性。

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新能源与储能

漂浮式海上双转子风力机动态响应研究

张文广, 孙嘉壕, 骆伟健, 陈文华

2023, 43(11): 1461-1468. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.011

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为研究漂浮式海上双转子风力机的动态响应特性,采用OC3-Hywind Spar漂浮式平台,搭建了漂浮式海上双转子风力机仿真系统。采用自由涡尾迹法(Free Vortex Wake, FVW)和OpenFAST水动力计算模块,建立了漂浮式海上双转子风力机的气动-水动耦合分析模型,并进行了风浪耦合分析与控制仿真。结果表明:主副转子功率波动幅值随风浪夹角变大而逐渐减小;主副转子间流场比陆上双转子风力机更加复杂,多目标变桨控制既可减小功率波动又可缓解副转子的疲劳损伤;风浪夹角在0°和90°的工况下,平台运动响应波动较为明显。

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新能源与储能

集成外热源的超临界二氧化碳热泵储电系统性能研究

孙瑞强, 李延兵, 刘明, 赵永亮, 严俊杰

2023, 43(11): 1469-1476. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.012

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对基于超临界二氧化碳工质的热泵储电系统展开研究,建立了热力学与技术经济性分析模型,并对系统热力参数进行优化,分析了压缩机等熵效率、透平等熵效率、换热器压损以及最小换热温差等关键设备参数对系统性能的影响。此外,提出了以燃气轮机排气为外热源的集成系统构型,对独立热泵储电系统及集成外热源的系统性能进行分析。结果表明:独立储能系统的最高往返效率可达62.91%;集成外热源后,单位能量的投资成本降低,系统能量效率随放电时间和放电功率的增加而降低。

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新能源与储能

面向高比例可再生能源消纳的光储氢醇一体化系统规划与调度

刘康祥, 周家辉, 徐钢, 陈彦奇, 张润之, 刘文毅

2023, 43(11): 1477-1486. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.013

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针对西北地区可再生能源大规模分配、运输和储存等问题,设计了一种面向高比例可再生能源消纳的光储氢醇一体化系统。首先,在保证降低弃光率的同时,以系统全年总收益最大化为目标构建了光储氢醇的数学模型并通过McCormick法进行线性化处理;其次,以全年数据为基础分析并确定了系统最佳设备容量与运行调度;最后,分析了甲醇价格、售氧价格、购碳价格以及设备成本对总收益的影响。结果表明:经过联合设计调度优化,新型光储氢醇一体化系统可在不增加电网压力的前提下,大幅消纳可再生能源并保持甲醇稳定生产,同时系统具备初步经济效益;而随着甲醇价格的提升和设备成本的降低,系统经济收益可进一步提升。

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新能源与储能

不同地区太阳能PVT热泵系统仿真模拟与运行性能分析

陆王琳, 陈培, 陆启亮, 鲍佳麒, 刘文杰, 代彦军

2023, 43(11): 1487-1493. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.014

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为探究环境条件的时空分布差异性对太阳能直膨式光伏光热(PVT)热泵系统运行性能的影响,进行数学建模与性能仿真,分析了系统在不同地区采暖季内的运行性能。结果表明:由于入射太阳辐射的效应,在不同地区,系统的采暖季平均蒸发温度都提高至接近甚至超过环境温度的水平,显著改善了系统的热力性能;当冷凝温度为50 ℃时,系统在北京、拉萨、兰州的采暖季平均COP分别为3.67、5.01和3.41;采暖季平均单板得热功率分别为541 W、810 W和504 W,得热因子分别为71.7%、62.0%和79.3%,光伏发电增益分别为4.76%、8.67%和6.10%。

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数字化与智能化

堆芯功率的自耦PID控制策略研究

卢元煦, 曾喆昭, 唐立军, 白家赞

2023, 43(11): 1494-1499. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.015

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针对堆芯功率的非线性控制问题,提出了一种自耦PID(SCPID)功率控制方法。该方法将系统内部所有已知或未知复杂因素及外部扰动定义为一个总扰动,建立了以总扰动为激励的受控误差系统,进而设计了基于SCPID控制理论的堆芯功率控制系统,并在复频域对闭环控制系统的稳定性进行严格的数学分析和证明。结果表明: 与其他方法相比,SCPID控制方法简单高效,在堆芯功率系统控制领域具有实际应用价值。

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数字化与智能化

基于VMD和改进DenseNet的滚动轴承故障诊断

董路南, 邓艾东, 范永胜, 刘洋

2023, 43(11): 1500-1505. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.016

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针对传统故障诊断方法抗噪性能差,对振动信号中的故障信息挖掘不充分的问题,提出了一种基于变分模态分解(VMD)与改进的稠密连接网络(DenseNet)相结合的滚动轴承故障诊断模型。首先利用VMD将含有噪声的振动信号分解为多个本征模态分量,选取与原始信号相关性较大的若干分量并重构,得到降噪后的信号。然后将重构信号送入DenseNet网络中提取特征,并通过增加通道注意力机制对提取的不同特征赋予不同的权重,进一步强化特征的区分度。最后,通过Softmax层完成故障分类。结果表明:该模型对含有不同强度噪声的振动信号均能有效提取故障特征,具有良好的诊断性能。

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数字化与智能化

基于Kriging组合模型和NSGA-Ⅲ算法的转子裂纹参数识别

胡楷, 马军, 王晓东, 陈虹潮

2023, 43(11): 1506-1514. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.017

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针对转子裂纹参数定量识别精度不足的问题,提出一种基于Kriging组合模型和非支配解排序遗传算法Ⅲ型(NSGA-III)的转子裂纹参数识别方法。首先,基于动力学模型响应建立不同相关函数的Kriging代理模型作为候选模型库;其次,通过逐步回归模型筛选策略剔除性能不佳的模型并依据启发式权重加权获得最佳Kriging组合模型;再次,应用所提Kriging组合模型建立裂纹参数与裂纹转子系统响应的关系;最后,通过Kriging组合模型预测的响应幅值与实际响应幅值的差异构成多目标函数,利用NSGA-Ⅲ得到识别结果。结果表明:采用该方法识别裂纹参数的最大相对误差为2.5%;相比于基于单个Kriging模型和指数函数-高斯函数组合模型的识别方法,所提方法具有较高的适用性和精确性。

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综合能源系统

基于改进灰狼算法的热电联供系统负荷优化分配策略研究

丁衡, 胡慧, 曹越, 孙健, 司风琪

2023, 43(11): 1515-1522. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.018

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为了研究热电联供系统中机组的热电负荷优化分配策略,针对传统灰狼优化算法中繁琐的更新机制导致的时效性差等问题,提出了一种改进的多目标灰狼优化(MOGGWO)算法,直接利用前三等级狼的位置和高斯采样完成进化过程,最后将该算法应用于某600 MW双机热电联供系统的多目标热电负荷优化分配中。结果表明:MOGGWO算法能极大缩短负荷分配的求解时间,且在多目标优化下提升系统经济性的同时其可再生能源消纳能力将会减弱,应根据现场实际情况权衡,进而选择热电负荷最优分配策略。

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综合能源系统

不同宽负荷脱硝系统变工况及瞬态性能的对比研究

高过斌, 高伟, 张军亮, 刘明, 严俊杰

2023, 43(11): 1523-1530. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.11.019

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对比了0号高压加热器、省煤器给水旁路和省煤器烟气旁路等宽负荷脱硝系统的宽负荷性能及瞬态特性。结果表明:在30%THA~100%THA负荷、旁路流量均为50%时,采用低过侧省煤器烟气旁路的SCR入口温度升高幅度最大,达31.2 K;采用各省煤器旁路方案均使机组标准煤耗率增大,采用低过侧省煤器烟气旁路和低再侧省煤器烟气旁路时,标准煤耗率每增大1 g/(kW·h),可分别提高SCR入口温度42.16 K和27.56 K;采用低过侧省煤器烟气旁路时,SCR入口温度变化滞后时间短且变化率高(达到34.65 K/min);投运0号高加后SCR入口温度变化滞后约1 min,功率平均变化率为10.22 MW/min。

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